傻孩子(GorgonMeducer) · 2020年07月10日

【为宏正名】99%人都不知道的"##"里用法

作者:GorgonMeducer 傻孩子
首发:裸机思维

【说在前面的话】

有人说C语言中最臭名昭著的两兄弟就是指针和宏了。对于前者,很多有经验的老鸟会告诉你:用好了指针你就掌握了C语言的内功心法——如同原力一样,无论是追随光明还是堕入黑暗都离不开它。宏就没这么幸运了,不光年年受到邪恶的混乱C语言大赛的肆意霸凌(https://www.ioccc.org/),更是让“让代码爹妈都不认识”的身份标签贴到了骨头上——怎一个惨字了得。

image.png

这个系列将本着实用的原则介绍一些宏在模块封装中“点石成金”的用法,让大家正确认识到宏真实的作用和使用规则——真真正正还“宏”一个公道。

【"##"的“表”用法】

想必很多人都知道"##"的用法——它本质上是一个“胶水运算”,用于把参数宏中的“形参”与其它没有天然分割的内容粘连在一起,例如:

#define def_u32_array(__name, __size)     uint32_t array_##__name[__size];

实际中,我们可以这样使用:

def_u32_array(sample_buffer, 64)

宏展开的效果是:

uint32_t array_sample_buffer[64];

可以看到,"array\_\_"与形参“\_\_name”是没有天然分割的,因此要想将"array\_"与"\_\_name"所代表的内容(而不是\_\_name本身)粘连在一起,就需要“##”运算的帮助。另一方面,"\_\_name"与"["是具有天然分隔的——编译器不会认为"\_\_name"与"["是连接在一起的,因此这里并不需要画蛇添足的使用"##"运算——如果你这么做了,预编译器会毫不犹豫的告诉你语法错误。——这是"##"运算的普通用法,在过去转载的文章《C语言#和##连接符在项目中的应用(漂亮)》中也有详细介绍,这里就不再赘述。

【"##"的官方“里”用法】

“##”还有一个很少为人所知的“里”用法,在介绍它之前,不得不首先说说由ANSI-C99标准引入的另外一个参数宏扩展——可变参数宏。举个例子:

#define safe_atom_code(...)                    \
        {                                      \
        uint32_t int_flag = __disable_irq();   \
            __VA_ARGS__                        \
            __set_PRIMASK(int_flag);           \
        }

这里定义了一个宏"safe\_atom\_code()",在括号内,无论你填写任何内容,都会被无条件的放置到“\_\_VA\_ARGS\_\_”所在的位置,你可以认为括号里的“...”实际上就是对应"\_\_VA\_ARGS\_\_"。比如,我们可以写下这样的代码:

/**
  \fn          void wr_dat (uint16_t dat)
  \brief       Write data to the LCD controller
  \param[in]   dat  Data to write
*/
static __inline void wr_dat (uint_fast16_t dat) 
{
    safe_atom_code(
        LCD_CS(0);
        GLCD_PORT->DAT = (dat >>   8);   /* Write D8..D15 */
        GLCD_PORT->DAT = (dat & 0xFF);   /* Write D0..D7 */
        LCD_CS(1);
    )
}

这个代码确保在向寄存器GCLD\_PORT->DAT写入数据时不会被其它中断打断。

聪明的你也许很快就会提出这样的问题,上述宏跟下面的写法有什么区别呢?

#define safe_atom_code(__CODE)                       \
        {                                            \
            uint32_t int_flag = __disable_irq();     \
            __CODE                                   \
            __set_PRIMASK(int_flag);                 \
        }

你不仅提出了问题,甚至还实际测试了下,似乎完全等效,“根本没差别嘛!”——你惊呼道。然而,事实上并没有那么简单:

  • 参数宏是通过“,”来作为分隔符来计算用户实际产传入了几个参数的,或者换句话说,在使用参数宏的时候,预编译器是看不懂C语法的——在它眼中,除了它所认识的少数符号外,其它东西都是无意义的字符串——由于在处理括号内部的内容时,它只认识","和"...",因此当括号中的内容每增加一个",",与编译器就认为多了一个参数。
  • 当你使用参数宏的时候,传入参数的个数(已“,”分开)必须与定义参数宏时候形参的数量完全一致;当不一致的时候,预编译器可能不会报错,而是直接无视了你的参数宏——把它传递到编译的下一阶段,因而往往会被认作是一个函数——事实上这个函数是不存在的,因此在链接阶段会报告某某函数未定义的错误。这时候你就会纳闷了,为啥我明明定义的是一个宏,编译器却把它当作函数呢?

可变参数宏的引入就解决了这个问题:

  • "..."只能放在参数宏形参列表的最后;
  • 当用户的参数个数超过了规定的参数个数时,所有多出来的内容会一股脑的由“\_\_VA\_ARGS\_\_”所背负;
  • 当用户的参数个数正好等于形参的个数时,"\_\_VA\_ARGS\_\_"就等效于一个空字符串

回头再来看前面的问题,

#define safe_atom_code(...)

与 

#define safe_atom_code(__CODE)

的差别在于,前者括号里可以放包括","在内的几乎任意内容;而后者则完全不能容忍逗号的存在——比如你调用了一个函数,函数的参数要用到都好隔开吧?再比如,你用到了逗号表达式……——想想都很酸爽。

其实,可变参数列表最初诞生的原因之一是为了解决与C函数的可变参数(va\_args)配合使用的问题,例如:

#define log_info(__STRING, ...)    printf(__STRING, __VA_ARGS__)

因此,使用的时候,我们可以这样写:

log_info("------------------------------------\r\n");
log_info(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);

宏展开后实际上对应于:


printf("------------------------------------\r\n",);
printf(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);

看似没有问题,注意到一个细节没有?在第一个printf()的最后多了一个","。虽然有些编译器,例如GCC并不会计较(也许就是一个warning),但对于广大洁癖严重的处女座程序员来说,这怎么能忍,于是在ANSI-C99标准引入可变参数宏的时候,又贴心了加了一个不那么起眼的语法:当下面的组合出现时 ",##\_\_VA\_ARGS\_\_",如果\_\_VA\_ARGS\_\_是一个空字符串,则前面的","会一并被删除掉。因此,上面的宏可以改写为:

#define log_info(__STRING, ...)    printf(__STRING,##__VA_ARGS__)

此时,前面的代码会被展开为:

printf("------------------------------------\r\n");
printf(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);

处女座表示,这次可以安心睡觉了。

如果说这就是99%的C程序员都不知道的"##"隐藏用法,未免太对不起观众了,实际上本文的正片才刚刚开始。

【正文:"##"的骚操作】

逗号表达式,一直关注公众号的朋友们想必都很熟悉——之前转载的文章《【C进阶】听说用 “ 逗号表达式 ” 仅仅为了秀技?》已经说的非常详细了,这里就不再赘述。简单说,就是逗号表达式中,逗号的最右边将作为表达式真正的返回值。 

结合前面关于",##\_\_VA\_ARGS\_\_"用法的介绍,你们有没有意识到,其实这里的逗号不光可以是参数列表的分隔符,还可以是逗号表达式的运算符。结合\_\_VA\_ARGS\_\_的特性,我们可以写出类似这样的宏:

#define EXAMPLE(...)     ( 默认值 ,##__VA_ARGS__)

它有两种使用情况情况:

  • 当我们使用参数宏的时候在括号里不填写任何内容,最终会展开为仅有默认值的情况:
EXAMPLE();

被展开为:

( 默认值 )
  • 当我们提供了任意的有效值时,则会被展开成逗号表达式:
EXAMPLE(我们提供的值);

被展开为:

( 默认值, 我们提供的值 )

根据逗号表达式的特性,此时,默认值会被丢弃掉(有些编译器会报告表达式无效的warning,这是正常的,因为编译器注意到“默认值”所代表的表达式实际上被丢弃了,它觉得我们写了一个无用的表达式)。

这个技巧其实对API的封装特别有效:它允许我们简化函数API的使用,比如在用户忽略的情况下,自动给函数填充某些默认值,而在用户主动提供参数的情况下,替代那些默认值。这里我举两个现实中的例子:

  • 为函数提供默认的参数

假设我们有一个初始化函数,初始化函数允许用户通过结构体来配置一些参数:


typedef struct xxxx_cfg_t {
    ...
} xxxx_cfg_t;

int xxxx_init(xxxx_cfg_t *cfg_ptr);

为了简化用户的配置过程,初始化函数会检查指针cfg\_ptr是否为NULL,如果为NULL则自动使用默认配置,反之将使用用户定义的配置。此时,我们可以通过宏来提供默认值NULL:

#define XXXX_INIT(...)    xxxx_init((NULL,##__VA_ARGS__))
  • 为消息处理提供默认的掩码配置

有些消息处理函数可以批量的处理某一类消息,而具体选中了哪些消息类别,则通常由二进制掩码来表示,例如:


typedef struct msg_t msg_t;
struct {
    uint16_t msg;
    uint16_t mask;
    int (*handler)(msg_t *msg_ptr);
} msg_t;

此时我们完全可以借助宏来构建一套语法糖:


#define def_msg_map(__name, ...)                            \
    const msg_t __name[] = {__VA_ARGS__};
    
#define add_msg(__msg, __handler, ...)                      \
    {                                                       \
        .msg = (__msg),                                     \
        .handler = &(__handler),                            \
        .msk = (0xFFFF, ##__VA_ARGS__),                     \
    }

通过宏 add\_msg 我们注意到,当用户刻意省略设置msk时,我们就给出默认值 0xFFFF——这很可能表示,在进行消息处理的时候,消息必须严格匹配才能交给对应的处理函数;当用户指定 msk 时,则可能表示某一类消息都交给同一个消息处理函数来处理。例如:


/*! \note 高字节表示操作的类别:
          比如0x00表示控制类,0x01表示WRITE,0x02表示READ
 */
enum {
    SIGN_UP      = 0x0001,
    WRITE_MEM    = 0x0100,
    WRITE_SRAM   = 0x0101,
    WRITE_FLASH  = 0x0102,
    WRITE_EEPROM = 0x0103,
    
    READ_MEM     = 0x0200,
    READ_SRAM    = 0x0201,
    READ_FLASH   = 0x0202,
    READ_EEPROM  = 0x0203,
};

extern int iap_sign_up_handler(msg_t *msg_ptr);
extern int iap_write_mem(msg_t *msg_ptr);
extern int iap_read_mem(msg_t *msg_ptr);

def_msg_map( iap_message_map
    /* 严格的将 SIGN_UP 映射到 对应的处理函数中 */
    add_msg( SIGN_UP,   iap_sign_up_handler ),
    /* 批量处理所有的WRITE操作,使用掩码进行过滤*/
    add_msg( WRITE_MEM, iap_write_mem,       0xFF00 ), 
    /* 批量处理所有的READ操作,使用掩码进行过滤 */
    add_msg( READ_MEM,  iap_read_mem,        0xFF00 ),
)

【结语】

宏不是阻碍代码开发和可读性的魔鬼,对自己不熟悉知识的傲慢才是。

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